Kommunizierende Suprapartikel als interaktive Informationsspeicher

Kommunizierende Suprapartikel besitzen eine ID Signatur und Recorder Signale zur Aufzeichnung von Umweltreizen umfassen. Das Auslesen dieser Spektralsignale ermöglicht den Zugriff auf zugehörige, digital gespeicherte Informationen. Durch die Integration Kommunizierender Suprapartikel in "passive" Materialien werden diese zu wahrnehmungsfähiger, informationstragender Materie. (Grafik: AK Mandel)

9. Oktober 2023

Materialien sind die Grundlage unserer physischen Welt, wohingegen Informationen und ihr Austausch das Herzstück der digitalen Welt sind. Eine fruchtbare Synergie dieser beiden Welten bietet die Möglichkeit, die Realisierung innovativer Konzepte voranzutreiben, welche auf eine nachhaltigere Nutzung unserer natürlichen Ressourcen abzielen. Beispiele für solche Konzepte sind unter anderem die Kreislaufwirtschaft von Materialien, vorausschauende Instandhaltung und effiziente Reparaturverfahren, Industrie 4.0, oder der interaktive Materialpass. Oftmals fehlt jedoch bislang eine Verbindung zwischen physischen Materialien und digitalen Informationen.

Eine neue Materialklasse, sogenannte Kommunizierende Suprapartikel, hat das Potential die beiden Welten miteinander zu verknüpfen. Prof. Dr. Karl Mandel (Professur für Anorganische Chemie) und seine Arbeitsgruppe stellen diese neuartigen Suprapartikel in einem Perspective-Artikel in der renommierten Fachzeitschrift Advanced Materials vor. Die Forschung wurde durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des NanoMatFutur Projekts NANO-ID (Grant No. 03XP0149) und durch das Promotionsstipendium der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) für den Erstautor Jakob Reichstein gefördert.

„Die winzigen, wenige Mikrometer-großen Kommunizierenden Suprapartikel sollen als pulverförmige Additive integraler Bestandteil von Materialien werden, um diese bislang passiven Objekten in wahrnehmungsfähige, informationstragenden Materialien zu verwandeln. Anschließend sollen diese in der Lage sein, auf Anfrage Informationen über ihre Herkunft, ihre nächsten Schritte und ihre Unversehrtheit zu übermitteln“, so der Erstautor Jakob Reichstein.

Ihre gewünschten Eigenschaften erhalten die Kommunizierenden Suprapartikel durch ihren speziellen Aufbau aus verschiedenen nanopartikulären und/oder (makro)molekularen Bausteinen mit spektral differenzierbaren Signalen. Einige dieser Signalbausteine sind robust gegenüber Umwelteinflüssen und eignen sich, um eine spektrale Identifikationssignatur (ID Code) zu erzeugen. Diese ID Signatur ermöglicht es Materialien zu jedem Zeitpunkt in ihrem Lebenszyklus mit digital gespeicherten Informationen, z.B. ihrer Materialart, ihrer Herkunft und ihrer Bestimmung, zu verknüpfen. Andere Bausteine der Kommunzierenden Suprapartikel, sogenannte Recorder, gewähren mit einer definierten, irreversiblen Signaländerung Rückschlüsse auf verschiedene Umwelteinflüsse im Lebenszyklus der Materialien, wie z.B. temporäre Temperaturerhöhungen oder das Einwirken spezieller Gase. Diese Recorder sollen spezifisch auf jedes Material angepasst werden können, um z.B. Auskunft über die Unversehrtheit des Materials geben zu können.

„Mit ihrer neuartigen Kombination funktionaler Spektralsignale könnten Kommunizierende Suprapartikel zu einem Schlüsselbaustein für die Realisierung digitaler Transformationsprozesse in der physischen Welt der Materialien werden. Der endgültige Erfolg dieser Technologie ist eine hochgradig interdisziplinäre Herausforderung, zu der wir gerne mit unserer eigenen Forschung in den kommenden Jahren beitragen wollen“, erklärt Prof. Mandel abschließend.